基于共模扼流圈的高速CCD驱动电路设计方案（一）

由于CCD驱动器的电压幅度降低了，使得CCD驱动器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模电感很小，有效地避免了和CCD的容性负载产生谐振，因此本方案可以保证驱动信号的质量。对方案所设计的电路进行了电路板制作和测试。实验结果表明，该方案中所设计的电路在保证驱动信号质量的前提下，可以有效地降低驱动电路的功耗。

　　0 引言

　　电荷耦合器件（CCD）在光电成像领域获得了广泛的应用，它具有高速、低噪声、宽动态范围以及线性响应等优点，然而要使CCD 正常工作，需要成像电路的支持。其中，CCD驱动电路是成像电路的重要组成部分，驱动电路负责把CCD收集的电荷包通过移位寄存器移动到输出节点进行信号电压的输出。由于是串行移位，因此需要高速的驱动电路，而在高速成像领域，驱动电路的工作速度更高。此外，CCD驱动波形的电压幅度往往很高，而CCD的移位寄存器是电容性负载，高速大电压幅度驱动电容性负载需要较大的功耗，因此，基于CCD 的成像系统功耗都相对较大，功耗大会导致CCD驱动器温度较高，温度高会影响系统的可靠性和寿命。

　　针对这个问题，采用CCD 驱动器首先产生低电压的驱动信号，然后利用共模扼流圈进行电压的放大。由于CCD 驱动器的电压降低了，使得CCD 驱动器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模电感很小，可以有效避免和CCD 的容性负载产生谐振，因此可以保证驱动信号的质量。

　　1 CCD驱动电路分析

　　为了设计高速低功耗CCD 驱动电路，首先对CCD驱动电路进行建模分析。图1所示为CCD 驱动电路的等效模型。其中V 为驱动器的信号输出，Rdrv 代表驱动器的戴维宁等效内阻，Cdrv 代表驱动器的等效电容，Rccd代表CCD内部的走线等效串联电阻，Cccd代表CCD的等效负载电容。可见CCD 驱动电路为RC 充放电电路。

　　对于RC电路，其功耗可以用公式（1）近似给出。

　　式中：C 为电容值大小；V 为信号电压幅度大小；f 为信号的工作频率。公式中并不包含电阻R 的项，而实际上功耗则都消耗在电阻R 上，因为电容是不会消耗功耗的。对于相同的电容C ，当电阻值R 较大时，瞬态电流值较小但瞬态电流持续时间较长；当电阻值R 较小时，瞬态电流值较大但瞬态电流持续时间较短。这是公式中没有电阻R 项的原因。

　　公式（1）还指出功耗和电压的平方是成正比的。因此只要把电压幅度降低就能大幅度降低功耗。而 CCD的驱动电压往往很高，例如很多CCD 的复位脉冲驱动电压幅度可以达到10 V.驱动电路的功耗由驱动器的功耗和CCD的功耗两部分组成。驱动器的功耗是由于驱动器内部的寄生电容导致的。例如CCD 驱动器EL7457 的内部电容约为80 pF.通过共模扼流圈对电压放大可以使得驱动器的输出电压幅度下降，这样就可以有效地降低驱动器的功耗。